未來城市地下空間探測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)
——大陸氣槍震源

王櫟,陳颙*,于大勇,胡久鵬,徐逸鶴,楊微,王濤

1 南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210023 2 中國(guó)地震局地球物理研究所，北京 100081

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，中國(guó)城市化進(jìn)程加速推進(jìn).根據(jù)第七次全國(guó)人口普查結(jié)果，中國(guó)城市化率達(dá)到63.89%，且過去20年的增幅超過30%.在城市高速發(fā)展的背景下，城市地下空間的利用是城市發(fā)展中至關(guān)重要的一環(huán)，其作為城市的載體奠定了城市快速發(fā)展的基礎(chǔ).同時(shí)，城市地下空間的安全保障也是城市安全發(fā)展的前提.目前，北京、上海等特大型城市的地下空間利用深度在50 m左右，一線城市達(dá)到30 m，其他城市在20 m以內(nèi)，相較于新加坡等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)地下空間大于100 m的利用深度，我國(guó)目前對(duì)城市地下空間的利用水平還相對(duì)滯后；與此同時(shí)，城市地下空間容納了供水供電管線、燃?xì)怆娏艿赖然A(chǔ)公共設(shè)施，但近年來許多城市因地下空間利用不合理而造成了大雨內(nèi)澇、地面塌陷、地下管線泄露等諸多問題.隨著城市人口的不斷增長(zhǎng)，城市地下空間的安全問題嚴(yán)重影響了人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，給城市運(yùn)行和長(zhǎng)期發(fā)展帶來了不利因素.因此，對(duì)城市地下空間的有效探明，是城市地下空間安全開發(fā)和高效利用的基礎(chǔ)，城市地下空間探測(cè)也成為了深地探測(cè)等國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展計(jì)劃的重要方向.

地球物理探測(cè)作為一種無損、高效的方法，是探測(cè)城市地下空間的有效手段.隨著城市的不斷發(fā)展，城市地球物理也得到了廣泛研究（Liu and Chan,2007;Miller,2013;Schreilechner and Eichkitz,2013），逐漸成為地球物理與城市發(fā)展科學(xué)的新興領(lǐng)域.我國(guó)自上個(gè)世紀(jì)60年代開始對(duì)城市地下空間進(jìn)行探查，進(jìn)入21世紀(jì)以來，逐步開展了對(duì)部分城市地下三維空間結(jié)構(gòu)的綜合探測(cè)（郝英紅等,2021;薛濤等,2021）.目前成都、武漢、雄安等城市已經(jīng)開展了較為全面的地球物理綜合探測(cè)與評(píng)價(jià)研究，對(duì)城市的地下空間結(jié)構(gòu)有了較為清晰的認(rèn)識(shí)（李華等,2020;馬巖等,2020;趙鐠等,2017）.

當(dāng)前，開展城市地下空間探測(cè)的地球物理方法主要包括：重力探測(cè)、探地雷達(dá)、高密度電阻率、瞬變電磁法、測(cè)井與淺層地震勘探等（王栩等,2020;趙鐠等,2017）.但城市中存在建筑分布密集、城市電纜產(chǎn)生游離電場(chǎng)、大量金屬構(gòu)件等因素的干擾，且城市地下空間探測(cè)對(duì)測(cè)深和分辨率有一定要求（武斌等,2019）.因此，抗干擾能力強(qiáng)、探測(cè)深、分辨率高的主動(dòng)源地震勘探方法得到了廣泛應(yīng)用（高景華等,2007;楊吉武等,2021;周長(zhǎng)江等,2019）.

1 新型人工主動(dòng)源—?dú)鈽尩膽?yīng)用

在主動(dòng)源地震勘探中，需要選擇激發(fā)能量大、頻帶寬的人工震源，以保證較好的數(shù)據(jù)質(zhì)量和探測(cè)效果.目前，在陸上勘探中，主動(dòng)源勘探使用的震源包括炸藥震源、落錘震源、電火花震源、可控震源車等，其中炸藥震源當(dāng)量大、激發(fā)信號(hào)信噪比高，是使用最廣泛的人工震源（陳颙和李宜晉,2007）.然而，在人口密度大、影響因素復(fù)雜的城市中，人工震源面臨著環(huán)境污染小、施工周期短、破壞性低、對(duì)城市交通與社會(huì)活動(dòng)影響弱等嚴(yán)格要求.同時(shí)，震源的可重復(fù)性對(duì)監(jiān)測(cè)城市地下結(jié)構(gòu)變化也尤為重要，因此炸藥不宜繼續(xù)作為城市主動(dòng)源勘探的主要人工震源.其他主要使用的震源中，落錘震源和電火花震源激發(fā)的能量相對(duì)較低，可控震源車雖然激發(fā)能量較大，但由于車體龐大、對(duì)路況要求高且噪聲污染大，在施工中會(huì)阻礙城市交通、影響城市運(yùn)行與居民生活（陳颙和李宜晉,2007;陳颙等,2007a）.因此，傳統(tǒng)的地球物理手段已經(jīng)無法滿足城市地下空間探測(cè)的要求，地球物理領(lǐng)域急需新型人工震源來滿足我國(guó)日益增長(zhǎng)的城市地下空間探測(cè)需求.

氣槍震源是一種放置于水體中的新型人工震源，由美國(guó)Bolt公司Stephen Chelminski于1966年發(fā)明（Chelminski,1966），從20世紀(jì)80年代開始，氣槍開始被廣泛應(yīng)用于海洋地震勘探.進(jìn)入21世紀(jì)，我國(guó)的地球物理學(xué)家開始嘗試將氣槍震源引入陸上探測(cè)（陳颙等,2017），目前已開展了多次大陸氣槍震源試驗(yàn)（楊微等,2021），并在云南賓川、新疆呼圖壁、甘肅張掖和永靖建立了四個(gè)固定氣槍信號(hào)發(fā)射臺(tái)（Tian et al.,2018;Wang et al.,2012;陳颙等,2007b;郭曉等,2020;魏斌等,2016;張?jiān)?2016）.試驗(yàn)結(jié)果表明，大陸氣槍震源作為一種新型的人工震源具有巨大的探測(cè)優(yōu)勢(shì)：

（1）綠色、無污染.氣槍激發(fā)無污染物產(chǎn)生，不會(huì)對(duì)水中生物造成影響.

（2）能量轉(zhuǎn)化效率高.131 L的氣槍陣列在2000 psi的工作壓力下產(chǎn)生的地震波能量可達(dá)一次ML0.7級(jí)地震產(chǎn)生的地震波能量，產(chǎn)生地震波能量的效率約為炸藥的10倍（陳颙等,2017）.

（3）可重復(fù)性高.氣槍陣列激發(fā)信號(hào)在一年內(nèi)的相關(guān)系數(shù)始終保持在95%以上，震源的可重復(fù)性極高（魏斌等,2016）.

（4）安全、施工影響小.氣槍激發(fā)時(shí)始終放置于水體中，噪聲水平低，不影響城市人群的日常生活，且不會(huì)破壞地表結(jié)構(gòu).

這些特點(diǎn)使得大陸氣槍震源具有成為城市地下空間探測(cè)主動(dòng)源的巨大潛力.

2 大陸氣槍震源在城市中的首次應(yīng)用

大陸氣槍震源在城市中的應(yīng)用，具有一定的挑戰(zhàn).目前的大陸氣槍震源主要采用大容量氣槍（4條氣槍組合陣列，每槍33 L），并放置在水庫等大型水體中進(jìn)行激發(fā).然而人口密度大的城市環(huán)境對(duì)于大型設(shè)備場(chǎng)地、施工噪聲、施工時(shí)間和城市運(yùn)行影響的要求嚴(yán)苛，不具備在大規(guī)模水體中進(jìn)行大容量氣槍震源激發(fā)的試驗(yàn)條件.同時(shí)，大陸氣槍震源的激發(fā)效果主要受到氣槍在水體中沉放深度的影響，更深的氣槍沉放深度可得到更好的激發(fā)效果（Wei et al.,2018;黃艷丹等,2018）.當(dāng)前使用的大容量氣槍震源主要放置在大型水庫中，水深數(shù)十米，氣槍沉放深度主要在15～35 m范圍內(nèi).但大部分城市水體的深度在5～10 m以內(nèi)，難以滿足大容量氣槍沉放深度的要求，激發(fā)效果難以驗(yàn)證.因此，大陸氣槍震源尚未有過在城市中的應(yīng)用嘗試.

在此背景下，南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院與中國(guó)地震局地球物理研究所合作，于2017年12月14—15日在江蘇省南京市棲霞區(qū)的羊山公園中，開展了大陸氣槍震源在城市中的首次激發(fā)試驗(yàn).在本次試驗(yàn)中，我們布設(shè)了一條長(zhǎng)約5 km、由16臺(tái)短周期地震儀組成的測(cè)線（圖1），激發(fā)源為美國(guó)Teledyne Bolt公司的1900LL型小容量氣槍（圖2a），放置于公園內(nèi)的羊山湖中，激發(fā)壓力15 MPa，氣槍容量4.1 L，僅為大容量氣槍震源總?cè)萘康?/32.氣槍震源控制系統(tǒng)位于岸邊，用以控制氣槍激發(fā)、接收GPS時(shí)間與位置信號(hào)等，激發(fā)時(shí)間精度可達(dá)微秒級(jí).

羊山公園位于南京市棲霞區(qū)的仙林大學(xué)城東部 （圖2b），占地1.34 km2，處于仙林副城中心區(qū)，臨近南京大學(xué)、南京中醫(yī)藥大學(xué)等高校，周邊住宅眾多，人口密集，交通路網(wǎng)發(fā)達(dá)，滿足在城市人口密集區(qū)域試驗(yàn)大陸氣槍震源應(yīng)用效果的測(cè)試條件.公園內(nèi)的羊山湖為本次試驗(yàn)的激發(fā)水體，湖面面積約為0.6 km2，實(shí)測(cè)水深最深約2.5 m，是典型的小規(guī)模城市水體環(huán)境，為大陸氣槍震源在城市內(nèi)激發(fā)提供了理想的試驗(yàn)環(huán)境.

圖1 羊山湖氣槍激發(fā)試驗(yàn)觀測(cè)系統(tǒng)Fig.1 Observation system of Yangshanhu lake seismic airgun excitation experiment

圖2 （a） Teledyne Bolt 1900LL型氣槍震源;（b） 試驗(yàn)區(qū)域衛(wèi)星圖 （紅色標(biāo)記為臺(tái)站位置）Fig.2 （a） Teledyne Bolt 1900LL seismic airgun source;（b） Satellite image of experimental field （Red symbols are locations of seismic stations）

本試驗(yàn)的觀測(cè)系統(tǒng)于2017年12月14日安裝完畢，并在12月14—15日的日間持續(xù)工作.氣槍震源沉放處水深2.5 m，沉放深度2 m，為極淺水域激發(fā).在系統(tǒng)調(diào)試階段，采用手動(dòng)激發(fā)方式，根據(jù)激發(fā)效果調(diào)整激發(fā)參數(shù)，待效果穩(wěn)定后，采用程序控制定時(shí)激發(fā)，每30 s激發(fā)一次，共激發(fā)373次.

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

本文對(duì)地震儀記錄到的氣槍數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，處理流程參考大容量氣槍震源的數(shù)據(jù)處理流程（翟秋實(shí)等,2016）.處理中首先根據(jù)氣槍震源激發(fā)時(shí)間表，對(duì)連續(xù)記錄進(jìn)行事件切分，得到了每次激發(fā)被各個(gè)地震臺(tái)站接收到的事件信號(hào)，對(duì)事件信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理后進(jìn)行線性疊加，并濾波至1～50 Hz.對(duì)經(jīng)過處理得到的疊加信號(hào)，本文通過計(jì)算相關(guān)系數(shù)、計(jì)算信噪比、時(shí)頻分析、頻率-波數(shù)分析（F-K分析）等方法對(duì)小容量氣槍震源的激發(fā)信號(hào)特征進(jìn)行了分析.

3.1 相關(guān)系數(shù)

圖3 614臺(tái)氣槍震源激發(fā)信號(hào)相關(guān)系數(shù)Fig.3 Correlation coefficient of seismic airgun signals at station 614

本研究首先分析了該小容量氣槍震源激發(fā)信號(hào)的可重復(fù)性參數(shù).我們選取了布設(shè)在離震源最近的614地震臺(tái)（圖1，震中距450 m）在2017年12月15日上午記錄到的100次激發(fā)信號(hào)，對(duì)這100次激發(fā)信號(hào)進(jìn)行線性疊加和歸一化，并將該疊加波形作為參考波形，用614臺(tái)站在100次激發(fā)中每次激發(fā)信號(hào)的波形與參考波形進(jìn)行相關(guān)計(jì)算后，得到了每次氣槍震源激發(fā)信號(hào)的相關(guān)系數(shù)（圖3）.結(jié)果顯示，在100次激發(fā)中，相關(guān)系數(shù)幾乎都在95%以上，并在開始激發(fā)后隨著激發(fā)狀態(tài)的穩(wěn)定逐漸上升.在第50次激發(fā)前后，相關(guān)系數(shù)達(dá)到99%，之后相關(guān)系數(shù)緩慢下降，這可能與試驗(yàn)一段時(shí)間后氣槍未能滿氣激發(fā)有關(guān).由于30 s的氣槍激發(fā)間隔時(shí)間較短，在試驗(yàn)后段可能由于注氣不足，導(dǎo)致了氣槍信號(hào)的相關(guān)性逐漸下降，但整體的相關(guān)系數(shù)仍可保持在95%以上，表明了氣槍激發(fā)信號(hào)極高的可重復(fù)性.

氣槍信號(hào)在工作壓力穩(wěn)定的情況下，會(huì)受到沉放深度的影響（Chen et al.,2014;黃艷丹等,2018）.相比于放置于水庫等大規(guī)模水體中的大容量氣槍震源，羊山湖氣槍激發(fā)試驗(yàn)的水體規(guī)模很小，水深極淺，且試驗(yàn)當(dāng)天有一定降雨量，更易使氣槍激發(fā)信號(hào)受到影響.在此試驗(yàn)環(huán)境下，氣槍信號(hào)的相關(guān)系數(shù)依然保持在95%以上，處于重復(fù)地震的相關(guān)系數(shù)閾值之上.這表明小容量氣槍震源即使在易受影響的城市小規(guī)模水體中，仍然具有極高的可重復(fù)性，抗干擾能力強(qiáng).

3.2 信噪比計(jì)算

由于小容量氣槍震源激發(fā)信號(hào)具有高可重復(fù)性，本研究對(duì)記錄到的多次激發(fā)信號(hào)進(jìn)行線性疊加來提高信噪比，并分析了對(duì)氣槍震源信號(hào)進(jìn)行識(shí)別的可靠性.首先選取布設(shè)在南京大學(xué)天文臺(tái)處的636臺(tái)站（圖1，震中距2.06 km），將其在2017年12月15日中記錄到的單次激發(fā)和100次激發(fā)疊加后的三分量波形進(jìn)行了對(duì)比.結(jié)果顯示，單次激發(fā)事件的三分量波形中（圖4a），雖然隨機(jī)噪聲有一定干擾，但三個(gè)分量的P波初至相對(duì)明顯，能夠有效識(shí)別氣槍激發(fā)信號(hào).經(jīng)過100次疊加后的三分量波形，隨機(jī)噪聲被大幅度壓制，震相清晰，信噪比極高（圖4b）.其中，E-W、N-S和Z（垂直）三個(gè)分量單次激發(fā)波形的均方根信噪比（信號(hào)窗均方根/噪聲窗均方根）分別為1.53、2.23和2.21，疊加后分別為13.87、18.92和17.55.三個(gè)分量的信號(hào)經(jīng)過100次疊加后，信噪比分別提升了9.06倍、8.48倍和7.94倍.

其次，本研究觀察了信號(hào)隨震中距的變化特征（圖5）.將各臺(tái)站Z分量接收到的信號(hào)經(jīng)過100次疊加后按震中距排列（圖5a），結(jié)果顯示在2.5 km范圍內(nèi)都具有較高的信噪比，初至信號(hào)明顯，視速度在3.8 km·s-1左右.同時(shí)，單次激發(fā)與100次疊加的信噪比水平對(duì)比結(jié)果（圖5b）顯示，100次疊加處理可使氣槍信號(hào)在2.5 km震中距內(nèi)提升一個(gè)數(shù)量級(jí).該結(jié)果表明，4.1 L的小容量氣槍震源在小規(guī)模水體中的單次激發(fā)信號(hào)可被震中距至少在2.5 km內(nèi)的地震儀清晰記錄，多次疊加處理后，氣槍激發(fā)信號(hào)的信噪比將大幅度提升.

圖4 636臺(tái)站氣槍震源激發(fā)波形對(duì)比（5～30 Hz帶通濾波，0 s為激發(fā)零時(shí)）（a） 單次激發(fā)波形；（b） 100次疊加后波形.Fig.4 Comparison of seismic airgun signals at station 636 （5～30 Hz bandpass filtered,0 time is the excitation moment）（a） Single-shot waveform；（b） 100-time stacked waveform.

圖5 氣槍震源信號(hào)隨震中距變化的特征（a） Z分量100次疊加波形隨震中距的變化（直線為3.8 km·s-1視速度）；（b） （a）中波形信噪比隨震中距的變化.Fig.5 Characteristics of seismic airgun signal varied with epicenter distance（a） Z component 100-time stacked waveforms varied with epicenter distance.The line showed the 3.8 km·s-1 apparent velocity；（b） Signal-noise ratios of waveforms in （a） varied with epicenter distance.

3.3 時(shí)頻分析

本研究選取了614、654和647三個(gè)短周期地震臺(tái)（圖1，震中距分別為0.44 km、1.74 km和2.27 km）的100次疊加信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析.在分析前，考慮到本次試驗(yàn)區(qū)域較小，觀測(cè)信號(hào)受到傳播路徑上幾何擴(kuò)散的影響相對(duì)較大，且觀測(cè)臺(tái)站布設(shè)在城市區(qū)域中，容易受到城市地表松散土層或沉積層的影響.因此，我們首先采用HVSR方法測(cè)算了每個(gè)臺(tái)站記錄信號(hào)的優(yōu)勢(shì)頻率，討論了臺(tái)站下方松散沉積層對(duì)接收信號(hào)的影響.之后對(duì)波形信號(hào)進(jìn)行了幾何擴(kuò)散校正，并將校正后的信號(hào)進(jìn)行了時(shí)頻分析.

HVSR方法（Horizontal-to-Vertical Spectral Ratio）是一種利用單個(gè)地震臺(tái)站接收的隨機(jī)噪聲信號(hào)計(jì)算臺(tái)站下方松散沉積層層厚的方法（Nakamura,1989）.該方法計(jì)算三分量地震儀的水平分量信號(hào)和垂直分量信號(hào)在頻率域的比值，當(dāng)?shù)乇硭缮⒊练e層與基巖之間存在較大的波阻抗差異時(shí)，比值結(jié)果會(huì)呈現(xiàn)出明顯的峰值頻率，該頻率與松散沉積層的卓越頻率一致，可用于估計(jì)沉積層厚度和場(chǎng)地放大效應(yīng)（Nakamura,2019;Parolai et al.,2002）.本研究對(duì)所有臺(tái)站進(jìn)行了HVSR曲線計(jì)算（圖6），計(jì)算時(shí)選取未進(jìn)行氣槍震源激發(fā)的時(shí)段以避免氣槍震源的影響.HVSR結(jié)果表明，除615、616臺(tái)站外的所有臺(tái)站未出現(xiàn)明顯的峰值頻率，表明下方不存在明顯的沉積層.而615和616臺(tái)站的峰值頻率分別為1.55 Hz和2.95 Hz，參考后文的時(shí)頻分析結(jié)果（圖7）可知，其峰值頻率與氣槍信號(hào)所在主頻的頻段差異較大，并不會(huì)對(duì)氣槍信號(hào)主頻段內(nèi)的信號(hào)產(chǎn)生影響.因此，本次試驗(yàn)的觀測(cè)系統(tǒng)并未受到城市地表松散沉積層的明顯影響.

圖6 不同臺(tái)站HVSR曲線對(duì)比Fig.6 Comparison of HVSR curves between different seismic stations

確定城市地表沉積層不會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生明顯影響后，筆者對(duì)接收信號(hào)振幅進(jìn)行了幾何擴(kuò)散校正.結(jié)合圖5中的視速度和圖7中得到的信號(hào)主頻，計(jì)算得到該小容量氣槍震源激發(fā)信號(hào)的波長(zhǎng)約為100 m.本次試驗(yàn)布設(shè)的所有臺(tái)站震中距均在信號(hào)的三倍波長(zhǎng)距離外，因此可將所有接收到的信號(hào)作為遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行處理.參考地震波在均勻各向同性介質(zhì)中的遠(yuǎn)場(chǎng)傳播公式（Aki and Richards,2002）可知，位移與震中距的關(guān)系為u∝γ-1.因此對(duì)每個(gè)臺(tái)站的接收信號(hào)乘上震中距γ，將不同震中距帶來的幾何擴(kuò)散影響校正后，計(jì)算得到的時(shí)頻特征見圖7.從中可見，氣槍信號(hào)存在兩個(gè)部分的主頻，分別集中于25～35 Hz頻段內(nèi)和4～7 Hz頻段內(nèi).其中處于25～35 Hz頻段內(nèi)的高頻信號(hào)在最近的614臺(tái)站能量極強(qiáng)，到時(shí)和弛豫時(shí)間短，但能量在稍遠(yuǎn)的兩個(gè)臺(tái)站中迅速衰減，因此該信號(hào)為氣槍震源激發(fā)的高頻脈沖信號(hào)；主頻在4～7 Hz頻段內(nèi)信號(hào)的能量在614臺(tái)相比25～35 Hz頻段內(nèi)信號(hào)能量較弱，有相對(duì)明顯的弛豫時(shí)間，為氣槍激發(fā)的振蕩信號(hào).觀測(cè)系統(tǒng)內(nèi)其他臺(tái)站的時(shí)頻分析結(jié)果也進(jìn)一步表明，小容量氣槍震源的脈沖信號(hào)處于25～35 Hz頻段內(nèi)，振蕩信號(hào)處于4～7 Hz頻段內(nèi).由于該次試驗(yàn)為極淺水域激發(fā)，因此氣槍的振蕩信號(hào)可能發(fā)育較差，導(dǎo)致其能量較弱.此外，信號(hào)在15 Hz左右能量較強(qiáng)，結(jié)合試驗(yàn)場(chǎng)地條件推測(cè)，羊山湖的水底界面復(fù)雜，該部分信號(hào)是由水體形狀不規(guī)則所引起的.

由于氣槍激發(fā)信號(hào)會(huì)同時(shí)受到激發(fā)條件和水體環(huán)境（水體大小、形狀等）的影響，在恒定激發(fā)條件下，氣槍信號(hào)在不同水體中也會(huì)表現(xiàn)出不同波形和時(shí)頻特征（Chen et al.,2014;楊微等,2020）.圖7結(jié)果表明，小容量氣槍在羊山湖中激發(fā)信號(hào)波形和時(shí)頻特征較為復(fù)雜，其時(shí)頻特征與云南賓川氣槍發(fā)射臺(tái)激發(fā)信號(hào)的時(shí)頻特征較為相似（胡久鵬等,2017）.據(jù)此推斷，羊山湖水體底部結(jié)構(gòu)和形狀復(fù)雜，激發(fā)水深較淺，對(duì)氣槍激發(fā)信號(hào)存在一定影響，需要對(duì)此類試驗(yàn)條件進(jìn)行進(jìn)一步的試驗(yàn)探究.

圖7 氣槍信號(hào)時(shí)頻分析（a） 614臺(tái)站；（b） 654臺(tái)站；（c） 647臺(tái)站.每圖上部為100次疊加Z分量波形 （1 s為激發(fā)零時(shí)），下部為波形時(shí)頻圖Fig.7 Time-frequency analysis of seismic airgun signals（a） Station 614；（b） Station 654；（c） Station 647.The top row of each plot is the 100-time stacked waveform of the vertical component （1 second is the excitation time）.The bottom row of each plot is the time-frequency representation of the stacked waveform.

3.4 F-K分析

F-K分析方法早期由Capon（1969）提出，后來被廣泛應(yīng)用在地震臺(tái)陣分析中（唐明帥等,2010）.該方法通過對(duì)臺(tái)陣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以獲得地震事件的反方位角和慢度.本次試驗(yàn)中，我們選取了布設(shè)在南京大學(xué)天文臺(tái)的小型臺(tái)陣（617、634-637、646-649共9個(gè)臺(tái)站）的100次疊加數(shù)據(jù)進(jìn)行了F-K分析，設(shè)置慢度網(wǎng)絡(luò)拐點(diǎn)為-2.0～2.0 s·km-1，步長(zhǎng)為0.005 s·km-1，滑動(dòng)窗口為0.4 s，滑動(dòng)步長(zhǎng)為0.05 s，最終計(jì)算得到了氣槍信號(hào)的F-K分析結(jié)果（圖8）.結(jié)果以極坐標(biāo)圖表示，極徑為慢度值，極角為反方位角值.結(jié)果顯示，反方位角范圍在205°到215°之間，慢度值在0.28～0.3 s·km-1之間.并且在該結(jié)果中，氣槍信號(hào)的能量明顯高于其他干擾信號(hào)，聚焦效果良好.進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，氣槍信號(hào)的反方位角約為213°，慢度值約為0.28 s·km-1，可得氣槍信號(hào)從水中激發(fā)到地震臺(tái)站接收路徑上的平均速度為3.57 km·s-1.該速度與氣槍信號(hào)的視速度大致相符（圖5），且反方位角與地震臺(tái)陣間的實(shí)際反方位角（～225°）基本吻合，驗(yàn)證了分析結(jié)果的準(zhǔn)確性.

以上分析結(jié)果表明小容量氣槍震源在城市小規(guī)模水體中具有良好的激發(fā)效果，激發(fā)信號(hào)的相關(guān)系數(shù)和信噪比高，震相到時(shí)清晰，可對(duì)淺表地層速度進(jìn)行有效的探測(cè)，表明了小容量氣槍震源在城市應(yīng)用中的有效性.

4 結(jié)論

2017年12月在南京開展的羊山湖氣槍激發(fā)試驗(yàn)，為新型人工主動(dòng)源—大陸氣槍震源在城市內(nèi)的首次應(yīng)用.本次試驗(yàn)使用了容量為4.1 L的大陸氣槍震源，放置在南京市棲霞區(qū)羊山公園內(nèi)面積不足1 km2的羊山湖中進(jìn)行激發(fā)，湖深2.5 m，氣槍震源沉放深度2 m.通過分析氣槍震源的激發(fā)信號(hào)，結(jié)果表明：沉放在小規(guī)模水體中的小容量氣槍震源可激發(fā)相關(guān)系數(shù)在95%以上的地震信號(hào)，具有很高的信號(hào)可重復(fù)性.在城市中激發(fā)信號(hào)經(jīng)過100次疊加后，信噪比可獲得極大提升；氣槍激發(fā)的脈沖信號(hào)處于25～35 Hz頻段內(nèi)，振蕩信號(hào)處于4～7 Hz頻段內(nèi).通過F-K分析，驗(yàn)證了氣槍信號(hào)對(duì)淺層速度探測(cè)的有效性，分析得到了氣槍激發(fā)信號(hào)沿北東方向（反方位角213°）的平均傳播速度約為3.57 km·s-1.表明了大陸氣槍震源在城市小規(guī)模水體中的良好應(yīng)用效果，滿足城市地下空間的探測(cè)需要.

5 應(yīng)用前景

本次羊山湖氣槍激發(fā)試驗(yàn)對(duì)大陸氣槍震源在城市中心區(qū)域小規(guī)模水體中的應(yīng)用效果進(jìn)行了初步研究.結(jié)果表明，沉放在小規(guī)模水體中的小容量氣槍震源信號(hào)具有很高的可重復(fù)性，在城市中激發(fā)同樣可以得到具有高信噪比的信號(hào).同時(shí)，小容量氣槍震源的信號(hào)主頻具有與過往研究相似的特征（陳颙等,2017;胡久鵬等,2017），這表明小容量氣槍震源在城市中同樣可以完成對(duì)城市地下空間的探測(cè)任務(wù).此外，本文通過F-K分析方法對(duì)氣槍激發(fā)信號(hào)的反方位角與慢度進(jìn)行分析，得到了氣槍信號(hào)在羊山湖附近區(qū)域淺表的傳播速度，分析結(jié)果合理可靠，表明小容量氣槍震源具有對(duì)半徑2.5 km范圍內(nèi)城市地下空間進(jìn)行有效探測(cè)的能力，驗(yàn)證了大陸氣槍震源作為一種安全高效的城市地下空間探測(cè)主動(dòng)源的有效性.

此外，氣槍的高可重復(fù)性使得氣槍信號(hào)可用于監(jiān)測(cè)地下應(yīng)力和波速的微弱變化（陳颙等,2017）.重復(fù)性和精度高的走時(shí)測(cè)量技術(shù)是觀測(cè)地下結(jié)構(gòu)應(yīng)力和波速變化的關(guān)鍵（Wang et al.,2008）.目前，背景噪聲技術(shù)是對(duì)地下結(jié)構(gòu)成像、地下波速和水位動(dòng)態(tài)變化特征進(jìn)行監(jiān)測(cè)的重要技術(shù)手段（Li et al.,2016;Liang and Langston,2009;Shapiro and Campillo,2004），但背景噪聲源會(huì)隨著季節(jié)而改變，并需要疊加至少一個(gè)月的連續(xù)記錄數(shù)據(jù)來保證結(jié)果的穩(wěn)定性（Stehly et al.,2007;顧悅等,2021;楊建文等,2021;于雯等,2021），同時(shí)背景噪聲提取的面波相對(duì)低頻，使得城市內(nèi)的噪聲成像分辨率受限.相比之下，大陸氣槍震源實(shí)驗(yàn)獲得的信號(hào)主頻普遍較高（Wang et al.,2018;陳颙等,2017），在地下結(jié)構(gòu)探測(cè)過程中可具有較高的空間分辨率，同時(shí)大陸氣槍還可激發(fā)有效面波用于地下結(jié)構(gòu)探測(cè)與介質(zhì)變化監(jiān)測(cè)（于雯等,2021）.本次實(shí)驗(yàn)中使用的小容量氣槍震源所激發(fā)的信號(hào)可重復(fù)性在95%以上，可對(duì)淺表波速和應(yīng)力的動(dòng)態(tài)變化特征進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)（Wang et al.,2020）.采用本實(shí)驗(yàn)中30 s的激發(fā)間隔，可使得大陸氣槍震源在城市中，每不到一小時(shí)就可獲得具有極高信噪比的地震信號(hào)，極大程度地縮短了對(duì)城市淺表特征動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)所需時(shí)間，大幅提高了監(jiān)測(cè)效率.為城市淺表的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)提供了良好的激發(fā)震源選擇.

本次試驗(yàn)是大陸氣槍震源在極淺水域激發(fā)的首次嘗試，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了大陸氣槍震源在城區(qū)水體中激發(fā)的有效性，突破了過往在水庫等大型水體中試驗(yàn)激發(fā)的水體規(guī)模限制.另一方面，試驗(yàn)過程中，氣槍震源的準(zhǔn)備與激發(fā)過程無需對(duì)城市運(yùn)行狀態(tài)提出較大要求，不會(huì)對(duì)所在水域和周邊環(huán)境產(chǎn)生較大影響.同時(shí)，氣槍震源激發(fā)不影響水域生物的生存環(huán)境和居民生活，突破了傳統(tǒng)地球物理勘探技術(shù)的限制.我國(guó)水域資源豐富、類型多樣，目前在全國(guó)28個(gè)省（自治區(qū)、直轄市）范圍內(nèi)，共有2693座面積在1 km2以上的自然湖，總面積約占我國(guó)國(guó)土面積的0.9%（馬榮華等,2011）.本次試驗(yàn)所在的羊山湖為面積不足1 km2的城市人工湖，此類水域在全國(guó)數(shù)量更大、分布更為廣泛.這表明采用大陸氣槍震源作為城市中應(yīng)用的新型主動(dòng)源，可對(duì)我國(guó)大部分城市進(jìn)行有效的地下空間探測(cè).在我國(guó)城區(qū)水域面積遼闊、城市規(guī)模龐大、城市地下空間探測(cè)需求強(qiáng)烈的背景下，大陸氣槍震源具有十分廣闊的應(yīng)用前景，將成為未來城市地下空間探測(cè)的關(guān)鍵技術(shù).

致謝感謝三位審稿專家對(duì)本文的寶貴意見和建議，感謝中國(guó)地震局地球物理勘探中心對(duì)本次試驗(yàn)野外數(shù)據(jù)采集工作的支持.感謝阮友誼副教授對(duì)本文內(nèi)容的審閱和修改貢獻(xiàn).